El LHC de Alta Luminosidad

El LHC de Alta Luminosidad (HL-LHC, por sus siglas en inglés) es una gran mejora prevista en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN prevista a partir de 2026 que incrementará el número de colisiones que se producen en el mayor acelerador de partículas del mundo en un factor 5 o 7. Esto permitirá investigar fenómenos físicos muy infrecuentes y obtener medidas mucho más precisas de los conocidos. Así, además de estudiar con detalle la producción del bosón de Higgs, se investigarán propuestas más allá del Modelo Estándar, la teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones, incluyendo la supersimetría, la existencia de dimensiones extra o si los quarks, los ladrillos que componen la materia visible, están compuestos por algo más elemental aún…

Datos básicos del LHC de Alta Luminosidad

  • ‘Luminosidad’ es la medida del número de colisiones potenciales por unidad de superficie y tiempo de un acelerador de partículas. Es un indicador básico del funcionamiento de un acelerador. Se mide en femtobarns inversos: 1 femtobarn inverso equivale a 100 billones de colisiones entre protones (1012).
  • Desde su inicio en 2010 hasta el final de 2018 el LHC habrá obtenido 150 femtobarns inversos de datos. Se espera que el LHC de Alta Luminosidad produzca 250 femtobarns inversos de datos cada año, hasta los 4.000.
  • El LHC de Alta Luminosidad permitirá estudiar al detalle la física conocida y observar nuevos fenómenos. Un ejemplo es el bosón de Higgs, del que se producirán 15 millones al año (3 millones en 2017).
  • Los nuevos imanes superconductores cuadrupolos, instalados a ambos lados de los experimentos ATLAS y CMS para concentrar los haces antes de la colisión, utilizan un compuesto superconductor de niobio-estaño usado por primera vez en un acelerador, lo que permite alcanzar mayores campos magnéticos que los actuales imanes del LHC (12 tesla en los nuevos imanes por 8 en los actuales). Este nuevo compuesto se utiliza también en los dos imanes dipolos que se sustituirán para curvar la trayectoria de los haces.
  • Para alimentar el acelerador y sus imanes se utilizarán nuevos cables hechos de un material superconductor (boruro de magnesio) capaz de trabajar a mayor temperatura que los imanes y transportar corrientes eléctricas con intensidades récord de 100.000 amperios.
  • Los trabajos de ingeniería para preparar el LHC de Alta Luminosidad comienzan este año en dos puntos del anillo el LHC situados en Suiza (Meyrin, experimento ATLAS) y Francia (Cessy, experimento CMS) con la excavación de fosas de 80 metros en cada sitio, cavernas subterráneas y túneles de servicio de 300 metros. La instalación de los primeros componentes del LHC de Alta Luminosidad, los imanes dipolos de 11 tesla, colimadores y diversa instrumentación para los haces de partículas) comenzará durante la segunda parada larga del LHC (Long Shutdown 2, LS2, 2019-2020). Pero la mayor parte de los trabajos de mejora se realizarán durante la tercera parada técnica, entre 2024 y 2026).
  • El coste material de la mejora del LHC está fijado en 950 millones de francos suizos entre 2015 y 2026, considerando un presupuesto constante del CERN.

Participación española en el LHC de Alta Luminosidad

Acelerador

El Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) desarrolla desde 2014 un prototipo de imán superconductor para el proyecto del LHC de Alta Luminosidad. Es un imán combinado, capaz de corregir la trayectoria de los haces de partículas que circulan por el anillo del LHC tanto en el plano vertical como horizontal de forma simultánea, algo muy complejo.

El espacio en el interior del imán para el tubo de vacío por donde circulan las partículas es el doble que el de los imanes actuales del LHC (150 milímetros de diámetro). Además, este imán es mucho más resistente a la radiación, que será mayor en el HL-LHC, lo que implica la utilización de materiales avanzados y nuevas soluciones mecánicas en su montaje.

Las técnicas de fabricación de las bobinas y de la estructura de soporte de las fuerzas electromagnéticas son nuevas, y han sido necesarias numerosas pruebas y ensayos para su validación. El CIEMAT se encuentra en la fase final de producción del primer prototipo, cuyo ensayo está previsto para otoño de este año. La fabricación en serie comenzará a principios de 2019 y se extenderá hasta finales de 2021.

Experimentos

Las condiciones bajo las que tendrán que operar los cuatro principales experimento del LHC (ATLAS, CMS, LHCb y ALICE) durante la fase de Alta Luminosidad serán muy exigentes. El incremento de las colisiones provocará el aumento del número de señales a procesar, de los sucesos a almacenar, fenómenos como el pile up (acumulación de choques de partículas en un mismo evento). Además, el potencial envejecimiento de los materiales debido a una mayor radiación requiere un intenso trabajo de I+D para mitigar sus efectos. A continuación se describen algunas de las principales actividades en las que participan centros y grupos de investigación españoles involucrados en los experimentos del LHC.

ATLAS

El experimento ATLAS es uno de los dos detectores de propósito general del LHC, el más grande con sus 46 metros de largo y 25 de alto. El Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) y el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València), participan en la actualización y mejora del componente más cercano a las colisiones que tienen lugar en el experimento ATLAS, el llamado ‘detector de trazas’, instrumento que registra la trayectoria de las partículas cargadas producidas y que se reemplazará en su totalidad para el LHC de Alta Luminosidad.

La parte más interna del detector de trazas de ATLAS está formado por sensores de silicio de dos tipos cuyas características se están mejorando. El IFAE ha colaborado con el Centro Nacional de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC) en la fabricación de una cuarta parte de los nuevos sensores 3D de silicio de tipo píxel, más pequeños y resistentes a las radiaciones. Estos nuevos sensores han sido ensamblados en módulos, instalados y comprobados por el IFAE.

Por su parte, el IFIC trabaja en otro tipo de sensores de silicio llamados strips, donde contribuye al diseño, simulación y producción de la estructura de fibra de carbono que los albergará, que contiene además la electrónica para alimentar los diferentes módulos y conectarlos para extraer la información.

Ambos institutos participan también en la mejora de otro de los subdetectores de ALTAS, el calorímetro, que mide la energía de las partículas producidas en las colisiones. El IFAE participa en el diseño y construcción de la nueva estructura que albergará la electrónica de este sistema, llamadas drawers, que reducirán la complejidad y las conexiones tanto de lectura como de alimentación. Y el IFIC participa en el diseño y producción de nuevas tarjetas de lectura que se encargan de extraer la información de los detectores, que aumentan su capacidad para procesar más información y poder así seleccionar los eventos de interés para su análisis en menos tiempo.

CMS

El experimento CMS (Compact Muon Solenoid) es el otro de los detectores del LHC de propósito general, el más pesado con casi 14.000 toneladas. La Unidad de Física de Partículas del CIEMAT, la Universidad de Oviedo y la Universidad Autónoma de Madrid contribuyen a  la actualización del detector de muones, el subdetector más externo de CMS que captura este tipo de partículas emparentadas con el electrón.

Tras estudiar la longevidad de las cámaras en pruebas de irradiación y asegurar su correcto funcionamiento a lo largo del LHC de Alta luminosidad, estos grupos españoles desarrollan novedosos sistemas electrónicos digitales de altísimo rendimiento para las cámaras de muones centrales. Para alcanzar los retos de HL-LHC es necesario reemplazar tanto los encargados de leer los datos como los que determinan en millonésimas de segundo si un suceso se guarda para su posterior análisis o se descarta (trigger).

Estos sistemas deben ser instalados en su totalidad durante la tercera parada técnica del LHC (2024-2025) previa al inicio del LHC de Alta Luminosidad, pero en la próxima parada que se inicia a finales de este año (2019-2020) se realizarán numerosos ensayos para probar prototipos e instalar nuevos sistemas que permitan afinar los algoritmos del trigger durante el próximo ciclo de funcionamiento del LHC (2021-2023), el último con la configuración actual.

Por su parte, el Instituto de Física de Cantabria (IFCA, CSIC-Universidad de Cantabria) participa en el desarrollo de sensores de silicio para el detector de vértices y del sistema temporal del experimento CMS. El detector de vértices, situado muy próximo a las colisiones, se verá sometido a niveles de radiación sin precedentes, por lo que se requieren sensores altamente resistentes. Junto al Centro Nacional de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC), el IFCA trabaja en el desarrollo sensores 3D de silicio de tipo píxel similares a los desarrollados para el detector interno de ATLAS.

Los píxeles de estos nuevos sensores tienen la sexta parte del área de los actuales, algo esencial para conseguir una alta resolución espacial en las imágenes que se obtendrán de unas colisiones que tendrán múltiples trazas. Para mitigar los efectos de entre 140 y 200 colisiones múltiples, un fenómeno llamado 'pileup', se instalará un detector de alta precisión temporal basado en la tecnología LGAD (Low Gain Avalanche Detectors), sensores de silicio con una alta resolución temporal  desarrollados por el IFCA y el CNM.

LHCb

El Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE, Universidade de Santiago de Compostela-Xunta de Galicia) es uno de los fundadores de la colaboración LHCb, el experimento dedicado a estudiar las diferencias entre materia y antimateria en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. La primera fase de mejora del experimento para adecuarlo al LHC de Alta Luminosidad tiene lugar antes que la de ATLAS y CMS. Los nuevos detectores serán instalados en la próxima parada técnica del LHC (2019-2020). Para esta fase, el grupo de Santiago participa en la construcción del nuevo detector de vértice (Vertex Locator, VELO) basado en píxeles de silicio.

Este grupo tuvo un papel relevante en la realización de los prototipos que permitieron adoptar la tecnología de detectores de píxeles para VELO. Además, participó en el diseño y fabricación de los prototipos de líneas de transmisión de datos de alta velocidad, así como en el diseño final del sensor, cuyo rendimiento ha medido en condiciones de radiación intensa como las del HL-LHC. Actualmente, el grupo de Santiago trabaja en la electrónica de lectura para extraer los datos del detector, así como en la mejora del sistema para seleccionar las colisiones a registrar (High Level Trigger), explorando la posibilidad de aumentar su rendimiento.

Por su parte, el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València), contribuye, junto al Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB), al nuevo sistema de reconstrucción de trazas del detector LHCb mejorado (llamado SciFi), en particular diseño y producción de la electrónica de lectura de datos , así como al desarrollo de algoritmos de reconstrucción y trigger especialmente orientados a partículas de larga vida media.

Además, el IFIC participa en el desarrollo del programa de investigación en física de blanco fijo del experimento LHCb (que hace chocar los haces de partículas en un objetivo de interés), en particular de un sistema basado en cristales curvados optimizado para medidas de momentos magnéticos y eléctricos de bariones pesados (un tipo de partícula compuesta).

El ICCUB lleva a cabo estudios sobre el comportamiento del calorímetro electromagnético del experimento LHCb bajo las condiciones que tendrá el LHC de Alta Luminosidad, cuyas partes más internas se reemplazarán para el comienzo del HL-LHC. Además, el ICCUB investiga la aplicación de sistemas electrónicos ultrarrápidos desarrollados en la UB para uno de los elementos del calorímetro (ECAL) basado en cristales centelleadores.

Más información:

Selección de fotos de la fabricación e instalación de componentes para el LHC de Alta Luminosidad

Playlist en el canal de YouTube del CERN con vídeos sobre el LHC de Alta Luminosidad

Nuevas tecnologías empleadas en el LHC de Alta Luminosidad